Електропіч опору з контрольованою атмосферою

Реферат: Винахід належить до термічного обладнання. Електропіч опору з контрольованою атмосферою містить металевий футерований кожух, нагрівачі, для кожного з яких у цьому кожусі виконано вікно для введення робочої частини нагрівача в камеру нагріву та трубопровід подачі робочої газової суміші, причому вона додатково містить бездвигуновий рециркуляційний пристрій, що складається з одноканального інжектора, з'єднаного з кінцем трубопроводу подачі робочої газової суміші, завихрювача і змішувальної камери, причому всі елементи бездвигунового рециркуляційного пристрою зафіксовані від переміщення відносно металевого футерованого кожуху електропечі, а завихрював встановлений всередині змішувальної камери. Використання даної електропечі дозволить виключити витрату енергоресурсів на здійснення рециркуляції пічної атмосфери, а також знизити питомі витрати на ремонт рециркуляційного пристрою, футерованого кожуха електропечі і її нагрівачів. UA 106448 C2 (12) UA 106448 C2 UA 106448 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до термічного обладнання, а саме до безмуфельних електропечей опору, що працюють з контрольованою атмосферою, і може бути використаний при виготовленні, удосконаленні та експлуатації різних типів термічних печей періодичної дії з пристроями для примусової рециркуляції контрольованої атмосфери. Відома електропіч опору з контрольованою атмосферою (Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов. - С. 215-217, Москва, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962), яка містить металевий футерований кожух, нагрівачі, закріплені на внутрішній поверхні футерованого кожуха і мають можливість введення їх в камеру нагріву через завантажувальне вікно електропечі, трубопровід подачі робочої газової суміші та рециркуляційний пристрій, до складу якого входять: корпус, вал з водоохолоджуваними підшипниками, крильчатка, ремінна передача і електродвигун. Недоліком відомої електропечі є те, що її рециркуляційний пристрій безперервно споживає електроенергію при експлуатації електропечі, а також містить обертові деталі, які, працюючи при високій температурі пічної атмосфери, піддані термічним деформаціям і тому часто виходять з ладу самі, а також сприяють поломці інших деталей рециркуляційного пристрою, футерованого кожуха і нагрівачів. Недоліком відомої електропечі є також те, що в конструкції футеровки її кожуха використані вогнетривкі вироби з підвищеним коефіцієнтом теплопровідності і з великою акумуляцією тепла, що призводить до збільшення витрати електроенергії на розпали електропечі. Внутрішній шар футеровки кожуха відомої електропечі виконаний з міцних вогнетривких виробів для надійного закріплення на них електричних нагрівачів. Однак таке їх закріплення в термічної печі, яка працює з контрольованою вуглецевмісною атмосферою, має істотний недолік - небезпека виникнення витоків електроенергії, що подається на нагрівачі, через футеровку і заземлений кожух. Поява таких витоків пов'язана з виділенням сажі на поверхні і всередині футеровки кожуха, а також на керамічних ізоляторах, які служать опорами для електричних нагрівачів. Виділення сажі всередині газопроникної футеровки є термодинамічно можливим при температурі нижче 977 °C по реакції 2СО=СО2+С, при температурі нижче 952 °C по реакції СО+Н2=С+Н2О і при температурі вище 825° С по реакції термічного розкладання СН 4=С+2Н2. Виділенню сажі всередині футеровки сприяють також оксиди заліза, які можуть бути присутніми в хімічному складі футерувальних матеріалів. Недоліком конструкції відомої електропечі є також і те, що заміну в ній нагрівачів, що вийшли з ладу, можна виконати лише після охолодження електропечі, яке зазвичай триває 2-3 доби з моменту її зупинки. Відома цементаційна піч, що входить до складу безмуфельного агрегату для хімікотермічної обробки (Авт. свід. СРСР № 529237, МКІ C21D 9/00, 1976), яка містить металевий футерований кожух, U-образні газові нагрівачі, для кожного з яких у цьому кожусі виконано вікно для введення робочої частини нагрівача в камеру нагріву, трубопровід подачі насичуючих газів і рециркуляційний пристрій, до складу якого входять: газодувка, що має електродвигун, водоохолоджуваний інжектор з двома каналами для роздільної подачі ендогазу і насичуючих газів, трубопровід, що з'єднує газодувку з інжектором, і фільтр для очищення ендогазу від сажі. Недоліком цементаційной печі, що входить до складу відомого безмуфельного агрегату, є конструкція її рециркуляційного пристрою, для роботи якого необхідно витрачати електроенергію. Крім того, конструкція інжектора, що входить до складу цього пристрою, передбачає досить високе його розташування над виробами, які нагрівають, тому що в противному випадку газовий потік, що виходить з інжектора, не буде охоплювати всю корисну площу завантажувального піддону, що призведе до неприпустимо великої різниці в швидкостях руху контрольованої атмосфери відносно виробів, що лежать на центральному та периферійних ділянках цього піддону. Велика різниця в швидкостях омивання виробів газовим потоком контрольованої атмосфери викличе порушення рівномірності їх дифузійного насичення і нагріву. Встановлення вказаного інжектора на оптимальній відстані від завантажувального піддону з виробами зажадає збільшення висоти пічного простору, що збільшить теплові втрати в печі в порівнянні з піччю, на якій встановлений звичайний рециркуляційний вентилятор. Недоліком конструкції інжектора є також і те, що він має систему водяного охолодження, робота якої призводить до додаткових втрат теплової енергії через футеровку печі, а також до витрати електроенергії на роботу водяного насоса. Крім того, застосування газодувки з метою отримання високого коефіцієнта інжекції при подачі ендогазу в піч призводить до необхідності використання інжектора з малим діаметром вихідного отвору сопла. Таке сопло буде часто закупорюватися сажею, тому що разом з ендогазом в інжектор потрапляють з газоприготувальної установки дрібні частинки сажі, що проникли через фільтр, а з газодувки масляний туман. Після контакту з цим туманом частинки сажі осідають на внутрішній конічній поверхні сопла, утворюючи липкий шар певної товщини, а потім ця сажа лавиноподібно 1 UA 106448 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 спрямовується до вихідного отвору сопла і швидко перекриває його, що призводить до відмов у роботі рециркуляційного пристрою і, відповідно, до зниження якості термічної і хіміко-термічної обробки виробів. Найближчим аналогом винаходу є електропіч опору з контрольованою атмосферою (Термическая обработка в машиностроении. Справочник. - С. 459-467, Москва, Машиностроение, 1980), що містить металевий футерований кожух, нагрівачі, для кожного з яких у цьому кожусі виконано вікно для введення робочої частини нагрівача в камеру нагріву, трубопровід подачі робочої газової суміші і рециркуляційний пристрій, до складу якого входять: корпус, вал з водоохолоджуваним опорним підшипником, крильчатка і електродвигун. Недоліком відомої електропечі є конструкція її рециркуляційного пристрою, для експлуатації якого необхідно витрачати електроенергію. Вихідна частина його валу і крильчатка працюють у пічному просторі при високій температурі, що викликає їх термічні деформації, які неминуче призводять до появи вібрацій в електропечі і, як наслідок, до передчасного виходу з ладу рециркуляційного пристрою, футеровки кожуха і нагрівачів. З огляду на те, що поява вібрацій в електропечі є практично неминучою, внутрішній шар футеровки її кожуха виконаний з міцних стандартних і фасонних шамотних виробів. Така конструкція футеровки кожуха підвищує її надійність і довговічність, але призводить до збільшення акумуляції тепла у футеровці і, як наслідок, до підвищення витрати електроенергії на розпали електропечі. Підвищується також витрата електроенергії і на нагрів виробів, так як кількість теплової енергії, що втрачається через завантажувальне вікно в періоди завантаження-вивантаження виробів, прямо залежить від коефіцієнта теплопровідності внутрішнього шару футеровки кожуха термічної печі. Крім того, рециркуляційний пристрій має систему примусового водяного охолодження опорного підшипника, що забезпечує його працездатність, але призводить до додаткових втрат теплової енергії. Недоліком конструкції відомої електропечі є також і те, що в ній встановлені нагрівачі закритого типу. Радіаційна труба такого нагрівача виконана з дорогої жароміцної сталі для захисту його нагрівального елемента і керамічних ізоляторів, фіксуючих форму цього елемента, від навуглецьовування і осідання на них сажі, яка може викликати електричні замикання і пробої в нагрівачі. Проте захист нагрівального елемента за допомогою радіаційної труби призводить до перевищення температури його нагріву над робочою температурою в електропечі на 150200 °C, що скорочує термін служби нагрівального елемента закритого нагрівача, а також обмежує можливості застосування високотемпературних режимівтермічної і хіміко-термічної обробки виробів. В основу винаходу поставлена задача створити електропіч опору з контрольованою атмосферою, в якій застосування нової сукупності, форм і взаємного розташування конструкційних елементів дозволить виключити витрату енергоресурсів на здійснення рециркуляції пічної атмосфери, а також знизити питомі витрати на ремонт рециркуляційного пристрою, футерованого кожуха електропечі і її нагрівачів. Рішення даної задачі досягається тим, що електропіч опору з контрольованою атмосферою, яка містить металевий футерований кожух, нагрівачі, для кожного з яких у цьому кожусі виконано вікно для введення робочої частини нагрівача в камеру нагріву та трубопровід подачі робочої газової суміші відповідно до винаходу вона додатково містить бездвигуновий рециркуляційний пристрій, що складається з одноканального інжектора, з'єднаного з кінцем трубопроводу подачі робочої газової суміші, завихрювача і змішувальної камери, причому всі елементи бездвигунового рециркуляційного пристрою зафіксовані від переміщення відносно металевого футерованого кожуху електропечі, а завихрював встановлений всередині змішувальної камери. Рішення завдання досягається також тим, що в камері нагріву розташовані у вертикальному положенні робочі частини відкритих нагрівачів, кожна з яких має фасонні ізолятори для підтримки спіральної форми нагрівального елемента і елементи фіксації цих ізоляторів, виконані з клею для кераміки з максимальною температурою його застосування не нижче 1100 °C. Використання даного винаходу при виготовленні, удосконаленні або експлуатації електропечі опору з контрольованою атмосферою дозволяє одержати також інші види технічного результату: - можливість виконувати внутрішній шар футеровки кожуха електропечі з легковагих або ультралегковагих матеріалів з низькою механічною міцністю, але з малою акумуляцією тепла і низьким коефіцієнтом теплопровідності, завдяки рециркуляційного пристрою, який не викликає вібрацій в електропечі, здатних зруйнувати маломіцний внутрішній шар футерівки кожуха; - підвищення термічного ККД електропечі за рахунок виготовлення футеровки її кожуха з матеріалів з низькою акумуляцією теплової енергії і низьким коефіцієнтом теплопровідності; 2 UA 106448 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - скорочення питомої витрати електроенергії на розпалення і термообробку виробів за рахунок підвищення термічного ККД електропечі; - підвищити середньорічну продуктивність електропечі за рахунок скорочення тривалості розпалу електропечі і зменшення втрат часу на ремонт; - підвищити якість термічної і хіміко-термічної обробки виробів за рахунок більш рівномірного нагріву поверхонь виробів, який досягається відбором газовим потоком, який має температуру нижче середньої температури пічного простору, частини теплової енергії ділянок поверхонь виробів, які перебувають під прямим впливом інфрачервоного випромінювання, і передачі її ділянкам поверхонь виробів, які нагріваються, в основному, за рахунок явищ теплопровідності і конвективного теплообміну; - зменшення середньорічного числа випадків переривання циклів термообробки виробів у зв'язку з несподіваним виходом з ладу рециркуляційного пристрою, нагрівачів або елементів футеровки кожуха електропечі; - зниження середньорічної витрати електроенергії на повторну термообробку виробів. Суть винаходу пояснюється наступними кресленнями. На фіг. 1 зображена електропіч опору з контрольованою атмосферою, а на фіг. 2 - її бездвигуновий рециркуляційний пристрій. Електропіч, представлена на фіг. 1, містить металевий кожух 1, футеровку 2, внутрішній шар якої виконаний з легковагого або ультралегковагого теплоізоляційного матеріалу, а зовнішній шар - з волокнистого мулітокремеземистого матеріалу, відкриті нагрівачі 3, трубопровід 4 подачі робочої газової суміші і бездвигуновий рециркуляційний пристрій 5. Нагрівальний елемент нагрівача 3 має спіральну форму, яку підтримують фасонні ізолятори, з'єднані зі спіральною частиною нагрівального елемента за допомогою елементів фіксації, виконаних з клею для кераміки з максимальною температурою його застосування не нижче 1100 °C. Між кожним нагрівачем 3 та футеровкою 2 є зазор, який виключає їх торкання і можливу появу струмів витоку. Виконання футеровки тільки лише з одного волокнистого мулітокремнеземистого матеріалу в термічної печі, що працює з контрольованою атмосферою, є нераціональним, оскільки наявність у футеровки твердого внутрішнього шару дозволяє виконати її обмазку розчином на основі, наприклад, силікат-брили з температурою плавлення 1050 °C і перетворити його в глазур, що закриває пори на внутрішній поверхні футеровки. Це знизить кількість повітря, що проникає в футеровку і, відповідно, знизить тривалість відновлення пічної атмосфері. Бездвигуновий рециркуляційний пристрій, зображений на фіг. 2, складається з одноканального інжектора 7, завихрювача 8 та змішувальної камери 9. До складу інжектора 7 входять сопло і каркас, який має щілини для рециркуляюючої пічної атмосфери. Нижні границі щілин цього каркаса в одній площині, що перпендикулярна центральним осям інжектора, завихрювача 8 і змішувальної камери 9, які проходять через центр робочої частини поду електропечі. Завихрювач 8 закріплений на зовнішній поверхні сопла інжектора 7. Ділянка завихрювача 8, розташована поблизу випускного отвору цього сопла, має загострену форму з метою зниження опору газового потоку. Загострену форму мають також ніжні кромки завихрювача 8 і змішувальної камери 9. Електропіч опору з контрольованою атмосферою, показана на Фіг. 1, працює таким чином. Спочатку її нагрівають до температури, яка виключає небезпеку вибуху контрольованої атмосфери, потім починають подавати по трубопроводу 4 робочу газову суміш необхідного хімічного складу, завантажують вироби 6 і встановлюють на автоматичному регуляторі температуру у пічному просторі, зазначену в технологічній документації. Робоча газова суміш надходить в рециркуляційний пристрій 5, де вона істотно збільшує свою швидкість при русі всередині сопла інжектора 7. Завдяки цьому, біля випускного отвору сопла утворюється зона зниженого тиску, в яку через щілини каркаса інжектора 7 спрямовується гарячий пічний газ. Робоча газова суміш і цей пічний газ формують всередині змішувальної камери 9 загальний газовий потік, якому завихрювач 8 надає вихровий рух, вектор якого спрямований на центр робочої частини поду електропечі. При виході зі змішувальної камери 9 і русі до виробів 6 цей газовий потік збільшує свій поперечний переріз за рахунок теплового розширення і відцентрових сил, які діють на молекули. Завдяки чому, газовий потік, що має біля вихідного отвору змішувальної камери 9 відносно малу площу поперечного перерізу, дійшовши до виробів 6, вже повністю охоплює робочу частину поду електропечі навіть при порівняно невеликій висоті пічного простору. Середня швидкість молекул в газовому потоці має своє оптимальне значення, так як низька швидкість цих молекул подовжує процес хіміко-термічної обробки виробів, а висока - викликає утворення під виробами "мертвих" зон, з яких евакуація відпрацьованої атмосфери відбувається з відносно низькою швидкістю, що призводить, в кінцевому рахунку, до отримання виробів з нерівномірною глибиною дифузійного шару. Відкриті нагрівачі 3, 3 UA 106448 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 встановлені в електропечі, не стикаються з внутрішніми вертикальними поверхнями футеровки 2 і мають конструкцію, яка практично виключає виникнення витоків електроенергії, що подається на ці нагрівачі, через футеровку заземленого кожуха. Ймовірність появи струмів витоку між витками нагрівального елементу - низька, так як всі витки розділені фасонними ізоляторами, які мають тільки вертикальні ділянки, що розділяють два сусідніх витка, а осідання сажі на гладких вертикальних поверхнях зазначених ізоляторів протікає досить повільно. Для видалення сажі, що накопичилася в камері нагріву, необхідно передбачити проведення періодичного її випалювання шляхом нагріву і витримки електропечі при температурі 800-850 °C без подачі контрольованої атмосфери в камеру нагріву. Електропечі СНЦ 5.10.5/10, які вдосконалені відповідно до винаходу, що заявляється, були випробувані при виконанні виробничої програми термічної обробки різних типів деталей гірничошахтного устаткування. Ці випробування довели їх перевагу в порівнянні з електропечами СНЦ 5.10.5/10, що мають конструкцію заводу-виробника за наступними показниками: - середньорічна продуктивність; - витрата електроенергії на розпал електропечі; - питома витрата електроенергії на термообробку виробів; - питома витрата природного газу та жароміцної сталі; - питома витрата на ремонт електропечі; - відсоток садок деталей, що вимагають повторної термообробки; - якість зміцнювальної термообробки різьбових виробів. На думку автора, матеріали заявки відповідають рівню винаходу за такими ознаками. За наявними у заявника відомостями сукупність істотних ознак, що характеризують суть винаходу, невідома з рівня існуючої техніки в даній області, що вказує на відповідність винаходу умові "новизна". Суть винаходу для фахівця не випливає явно з відомого рівня техніки, тому що з нього не виявляється сукупність відмінних ознак, викладена у винаході, що дозволяє зробити висновок про його відповідність умові "винахідницький рівень". Сукупність істотних ознак, що характеризують суть винаходу, може бути багато разів використана в машинобудуванні при виготовленні, удосконаленні та експлуатації газонаповнених електропечей періодичної дії з досягненням заданого технічного результату виключити витрату енергоресурсів на здійснення рециркуляції пічної атмосфери, а також знизити питомі витрати на ремонт рециркуляційного пристрою, футерованого кожуха електропечі і її нагрівачів, що дозволяє зробити висновок про відповідність винаходу умові "промислова придатність". З представлених матеріалів видно, що між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом, що досягається, існує причинно-наслідковий зв'язок. Аналоги: 1. Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов. - С. 215-217, Москва, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962. 2. Авторське свідоцтво СРСР № 529237, MKI C21D 9/00, 1976; 2. Термическая обработка в машиностроении. Справочник. - С. 459-467, Москва, Машиностроение, 1980 (найближчий аналог). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Електропіч опору з контрольованою атмосферою, яка містить металевий футерований кожух, нагрівачі, для кожного з яких у цьому кожусі виконано вікно для введення робочої частини нагрівача в камеру нагріву та трубопровід подачі робочої газової суміші, яка відрізняється тим, що вона додатково містить бездвигуновий рециркуляційний пристрій, що складається з одноканального інжектора, з'єднаного з кінцем трубопроводу подачі робочої газової суміші, завихрювача і змішувальної камери, причому всі елементи бездвигунового рециркуляційного пристрою зафіксовані від переміщення відносно металевого футерованого кожуху електропечі, а завихрювач встановлений всередині змішувальної камери. 2. Електропіч за п. 1, яка відрізняється тим, що в камері нагріву розташовані у вертикальному положенні робочі частини відкритих нагрівачів, кожна з яких має фасонні ізолятори для підтримки спіральної форми нагрівального елемента і елементи фіксації цих ізоляторів, виконані з клею для кераміки з максимальною температурою його застосування не нижче 1100 °C. 4 UA 106448 C2 5 UA 106448 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6